北京时间3月7日，华东理工大学材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队侯宇教授、杨双教授等在知名期刊Science(《科学》)上发表了最新研究成果，率先揭示了新型光伏不稳定性的关键机制——光机械诱导分解效应，提出石墨烯-聚合物机械增强钙钛矿材料的新方法，制备的太阳能电池器件在标准太阳光照及高温下的T97(指器件仍能保持初始效率的97%以上)工作寿命达到3670小时，该研究成果将为钙钛矿太阳电池的产业化应用提供全新解决方案。
团队成员在测试钙钛矿太阳能电池光电性能。 受访者供图
相对于晶硅电池，钙钛矿太阳电池具有转化效率高、低成本、柔性与轻量化等优势，是一类极具应用前景的新型光伏技术，对解决能源与环境问题具有重要意义，然而，器件不稳定性是限制其产业化发展的首要挑战。
钙钛矿太阳电池结构由五层组成，从上至下分别为导电玻璃、空穴传输层、钙钛矿、电子传输层、金属电极。此前科学家们尝试了多种方法试图提升处于核心的钙钛矿材料的稳定性，但仍难达到实际应用需求。
“我们发现，在水、光、热、电等常见因素外，钙钛矿材料内部的动态局域应力是诱发材料分解的重要原因，这就是光机械诱导分解效应。”侯宇介绍，在太阳光照下，钙钛矿材料表现出显著的光致伸缩效应，膨胀比例可超过1%，这将导致钙钛矿晶体之间的挤压，并在晶界附近积累局部应力，加速了晶界区域的缺陷形成，造成了钙钛矿电池的性能损失。
“光机械诱导分解效应”的发现，为团队理解钙钛矿材料的退化机制提供了新的视角，最终，他们通过石墨烯-聚合物耦合界面，实现了钙钛矿光伏工况寿命新突破。
侯宇说，得益于石墨烯出色的机械性能和聚合物的耦合效应，钙钛矿薄膜的模量和硬度提高了两倍，并显著限制了在光照条件下的晶格动态伸缩效应。
通过动态结构演变实验和计算模型相结合，研究团队验证了该耦合界面结构在工作条件下能够有效抑制晶格变形以及横向离子扩散，从而确保钙钛矿器件在光照、高温及真空条件等环境下的长期稳定性。基于这一设计，太阳电池在标准太阳光照及高温下工作的T97寿命达到了3670小时。
多年来，清洁能源材料与器件团队聚焦国家“双碳”战略，已在新型光伏领域取得系列研究成果，如建立了一套理论设计及精准筛选太阳能电池关键功能材料的通用方法，突破传统材料合成的瓶颈，开发出一系列高性能、稳定的光电功能晶态材料，提出光伏器件表面分子功能化新方法，显著提升太阳电池的环境稳定性，等等。
华东理工大学为该工作的唯一通讯单位，通讯作者为侯宇教授和杨双教授，第一作者为材料科学与工程学院博士研究生李庆，该研究工作得到了华东理工大学杨化桂教授的悉心指导，上海大学郑祎初副研究员在理论模拟方面提供了重要支持。研究工作还得到了国家自然科学基金、上海市基础研究特区等项目资金的支持。
